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为解决藻类在生物技术应用中面临的菌株适应性等问题，研究人员开展对新发现的极端嗜极绿藻太平洋衣藻（Chlamydomonas pacifica）的研究。结果发现其具有多种优良特性及生物技术应用潜力，这为生物科技发展提供了新方向。
在生物技术蓬勃发展的时代，藻类作为一种极具潜力的生物资源，正受到越来越多的关注。藻类广泛分布于各种环境中，与陆地植物关系密切，在生物技术领域有着多样的应用，从生产生物燃料到开发营养保健品，其应用前景十分广阔。然而，目前藻类在实际应用中面临诸多挑战。一方面，虽然藻类种类繁多，但仅有少数物种被商业应用，这是因为不同应用对藻类的要求不同，例如生产生物燃料和处理废水需要藻类能在低成本条件下生长，而生产营养保健品则更注重藻类的营养成分，找到合适的藻类菌株至关重要。另一方面，许多藻类对生长环境要求苛刻，非极端嗜极藻类在面对温度、pH 值和盐度等环境变化时耐受性差，易受污染和捕食，导致产量降低，这使得大规模培养面临困难。
为了解决这些问题，来自国外的研究人员对新发现的极端嗜极绿藻 —— 太平洋衣藻（Chlamydomonas pacifica）展开了深入研究。该研究成果发表在《Algal Research》上，为藻类生物技术的发展带来了新的希望。
研究人员运用了多种关键技术方法。在基因组研究方面，通过纳米孔测序（Nanopore sequencing）和 Illumina 测序获取长读长和短读长数据，对基因组进行组装和注释；利用 Benchmarking Universal Single-Copy Orthologs（BUSCO）评估基因组完整性。在生理特性研究中，采用不同的培养条件，如改变碳氮源、pH 值、盐度、温度和光照强度，来测试太平洋衣藻的生理耐受性。在脂质分析上，使用脂质组学技术，通过特定的代谢物提取和质谱分析方法，研究其脂质成分。
研究结果
- 基因组特征：太平洋衣藻基因组大小为 121 Mbp，GC 含量为 61%，通过 BUSCO 分析可知其基因组完整性达 91.3%，共鉴定出 17,829 个蛋白质编码基因 。其密码子使用模式与莱茵衣藻（C. reinhardtii）高度相似，这意味着适用于莱茵衣藻的表达载体也可能适用于太平洋衣藻。通过构建系统发育树发现，太平洋衣藻属于 Core - reinhardtinia 进化枝，与Chlamydomonas sp. 3222亲缘关系最近。此外，研究还发现太平洋衣藻含有多个与交配过程相关的基因，且通过实验验证了其交配能力。
- 生理和环境耐受性特征
- 碳氮同化：研究人员在不同光照条件下，用不同的碳源和氮源培养太平洋衣藻等菌株。结果表明，所有菌株在连续光照下都能同化提供的氮源；在碳源利用方面，太平洋衣藻菌株在乙酸盐附近生长更好，这表明它们能利用乙酸盐进行生长，在光照有限的生物反应器系统中有潜在应用价值。
- pH 耐受性：通过梯度平板试验评估菌株的 pH 耐受性，发现莱茵衣藻在中性环境中生长最佳，而太平洋衣藻菌株 402 和 403 以及C. sp. 菌株 3222 能在 pH 6 至大于 pH 10 的环境中生长，这种高 pH 耐受性在开放池塘培养中可用于防止有害生物侵害。
- 盐耐受性：在不同 NaCl 浓度的培养基中培养菌株，发现太平洋衣藻菌株 402 和 403 能在高达 300 mM NaCl 的盐度下生长，且比莱茵衣藻具有更强的耐盐性，这使得它们在利用盐水进行生物过程，如沿海或河口水产养殖系统以及内陆咸水利用方面具有优势。
- 温度耐受性：对菌株进行热耐受性试验，结果显示太平洋衣藻菌株 402 和 403 能耐受高达 41.9°C 的温度，优于莱茵衣藻，这种高温耐受性使其适合在温暖干旱地区用于生物燃料生产，有助于实现全年连续培养。
- 光耐受性：研究发现，在高光照强度环境下，莱茵衣藻表现出明显的敏感性，而太平洋衣藻菌株 402 和 403 以及C. sp. 菌株 3222 在高光照强度下仍能保持活力，具有较强的光适应能力，有利于在阳光强烈的地区进行培养。
- 细胞和行为特征
- 细胞形态：通过微分干涉差显微镜（DIC microscopy）和荧光显微镜观察，发现太平洋衣藻细胞有两根约 10μm 长的鞭毛，这对其运动和生存至关重要；还观察到细胞内可能存在与碳固定相关的类淀粉核，且通过基因分析进一步证实了这一推测。
- 运动性：对太平洋衣藻 402 的运动性研究发现，其细胞运动速度与莱茵衣藻相似，可达 150μm/s。这种运动能力使其能在环境中寻找适宜的生长环境，在生物技术应用中，如提高光生物反应器中细胞的光合作用效率、生物修复以及作为药物递送载体等方面具有潜在价值。
- 趋光性：将太平洋衣藻置于无氮培养基并单侧光照刺激下，发现其细胞会向弱光区域迁移，表现出负趋光性。这种趋光性可用于精确控制细胞运动，在药物递送等领域有潜在应用。
- 交配：观察到太平洋衣藻菌株 402 和 403 之间存在潜在的交配行为，并成功获得了具有双亲抗生素抗性标记的后代，证实了其有性生殖能力。这一特性在培育具有特定优良性状的菌株，如提高生物燃料生产效率或增强抗逆性方面具有重要意义。
- 基因工程：研究人员成功对太平洋衣藻进行了基因工程改造，使其表达荧光蛋白 mCherry 并对 zeocin 产生抗性，还使菌株 403 分泌塑料降解酶 PHL7。此外，通过菌株 402 和 403 的交配实验，证明了可以通过有性生殖成功组合遗传性状，为藻类的基因工程操作提供了更多可能性。
- 脂质谱：对太平洋衣藻进行脂质组学分析，发现其脂质谱中含有丰富的三酰甘油（TAGs），这对生物燃料应用具有重要意义；同时还含有一些对人体健康有益的脂肪酸，如 omega - 3 和 omega - 6 脂肪酸，在开发藻类基营养保健品和膳食补充剂方面具有潜力。
研究结论和讨论
太平洋衣藻具有多种优良特性，使其成为生物技术应用的理想底盘生物。它能在简单培养基中生长，对非耕地干旱地区常见的非生物胁迫，如高温、高盐、高光和高 pH 具有较高耐受性，这些特性使其在这些地区的藻类养殖中具有独特优势。其交配能力和遗传操作潜力，为通过育种和基因工程手段进一步改良菌株提供了可能，有助于实现不同的生物技术目标，如提高生物燃料产量、开发新型营养保健品等。
这项研究为未来基于太平洋衣藻的代谢工程研究奠定了坚实基础，有望推动可持续生物技术解决方案的发展。随着研究的深入，太平洋衣藻可能在更多领域展现出巨大的应用价值，为解决能源、环境和健康等方面的问题提供新的途径，对推动藻类生物技术产业的发展具有重要意义。
